DE69733553T2

DE69733553T2 - ARRANGEMENT FOR BEAM EMISSION

Info

Publication number: DE69733553T2
Application number: DE69733553T
Authority: DE
Inventors: Jan-Ake Kennet VILHELMSSON; Michael Johan LARSSON; Sverker Hard Af Segerstad
Original assignee: Thorlabs Inc
Current assignee: THORLABS INC., NEWTON, N.J., US
Priority date: 1996-04-01
Filing date: 1997-04-01
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2017-04-02
Also published as: DE69733553D1; SE9601252D0; EP0892936B1; JP2000507716A; WO1997037265A1; US6104489A; JP4012571B2; EP0892936A1

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL TERRITORY

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Erzeugen einer gut definierten Strahlverteilung über eine Fläche oder in einem Volumen mittels eines optischen Beugungselements.The The invention relates to an arrangement for producing a well defined beam distribution over an area or in a volume by means of a diffractive optical element.

STAND DER TECHNIKSTATE OF TECHNOLOGY

Bekanntlich ist die räumliche und zeitliche Kohärenz der von Lasern ausgehenden Strahlung viel Höher als die der Strahlung von "normalen" Wärmestrahlungsquellen (wie zum Beispiel gewöhnlichen Glühlampen). Diese Merkmale eines Laserstrahls sind sehr wertvoll und bedeuteten, dass in späteren Jahren optische Techniken neue Einsatzbereiche gefunden haben, die für die Gesellschaft wichtig sind, zum Beispiel über die CD-Technik. Innerhalb des sichtbaren Spektralbereichs des elektromagnetischen Spektrums, zeigen insbesondere Gaslaser wie zum Beispiel die allgemein bekannten HeNe- und Argon-Ionen-Laser eine sehr gute räumliche Kohärenz und weist die Strahlbreite von diesen Lasern eine rotationssymmetrische Gauß'sche Verteilung, bei ihnen sind die Wellenfronten gleichförmig (eben oder sphärisch) und frei von Astigmatismus. Derartige gut definierte Strahlcharakteristika sind zum Beispiel dann sehr wertvoll, wenn Gaslaser zusammen mit optischen Beugungselementen (DOE-Elementen) wie zum Beispiel Kinoform-Elementen eingesetzt werden. Für einen idealen Betrieb muss der Strahl, der zu dem Kinoform-Element hin einfällt, gut definiert und bekannt sein.generally known is the spatial and temporal coherence The radiation emitted by lasers is much higher than that of the radiation from "normal" heat radiation sources (such as ordinary Lightbulbs). These features of a laser beam are very valuable and meant that in later Years of optical techniques have found new uses that for the Society are important, for example via the CD technique. Within the visible spectral range of the electromagnetic spectrum especially gas lasers such as the well-known HeNe and argon ion lasers have very good spatial coherence and have the beamwidth of these lasers a rotationally symmetric Gaussian distribution, with them are the Wavefront uniform (even or spherical) and free of astigmatism. Such well-defined beam characteristics For example, gas lasers are very valuable when combined with optical diffraction elements (DOE elements) such as kinoform elements be used. For An ideal operation must be the beam leading to the kinoform element comes to mind, well defined and known.

Ein weiterer Lasertyp ist ein Halbleiterlaser (bzw. Diodenlaser), der wegen seiner geringen Größe, seiner Modulationsfähigkeit, seines geringen Energieverbrauchs und seiner Langlebigkeit sehr interessant ist. Er kommt in mehreren Einsatzbereichen zum Einsatz, bei denen diese Merkmale benötigt werden. Es gibt jedoch viele Einsatzgebiete, bei denen Diodenlaser einsetzen möchte, wo heute Gaslaser zum Einsatz kommen. Der Grund, aus dem man nicht auf einen Diodenlaser übergeht, ist die schlechte Strahlgüte, die elliptische Form bei Astigmatismus und die unbestimmte Intensitätsverteilung quer zum Strahl der Diodenlaser. In vielen Fällen ist der Diodenlaser zum Einsatz in Verbindung mit optischen Beugungselementen ideal. Dies gilt insbesondere für die kleine Baugröße, wodurch es möglich wird, ein DOE-Element mit einem Diodenlaser in kleinen und kompakten Einheiten zu kombinieren. Die Strahlgüte der Diodenlaser ist jedoch nicht ideal für den Einsatz in Verbindung mit einem DOE-Element. Die vorliegende Erfindung stellt eine ideale Funktion des Diodenlasers sicher, zunächst durch Verbesserung der Strahlgüte und dann kann der Strahl das optische Beugungselement bestrahlen.One Another type of laser is a semiconductor laser (or diode laser), the because of its small size, its Modulation capability its low energy consumption and longevity very much interesting is. He is used in several applications, where these features are needed. However, there are many applications in which use diode lasers would like to, where gas lasers are used today. The reason why you do not goes to a diode laser, is the bad beam quality, the elliptical shape at astigmatism and the indefinite intensity distribution transverse to the beam of the diode laser. In many cases the diode laser is for Use in conjunction with optical diffraction elements ideal. This applies in particular to the small size, thus it possible is a DOE element with a diode laser in small and compact Units to combine. However, the beam quality of the diode laser is not ideal for the use in conjunction with a DOE element. The present Invention ensures an ideal function of the diode laser, first through Improvement of the beam quality and then the beam can irradiate the diffractive optical element.

Die Konformität zwischen dem Strahl, der tatsächlich aus dem Kinoform-Element austritt, und dem Strahl, von dem zum Zeitpunkt der Auslegung des Kinoform-Elements angenommen wird, dass er dieses verlässt, hängt davon ab, wie gut der auf dem Kinoform-Element auftreffende Strahl in seiner Form mit dem Strahl zusammenfällt, von dem angenommen wird, dass er über seine Auslegung auf das Kinoform-Element auftrifft. Ein gut definierter Strahl, der auf dem Kinoform-Element auftrifft, stellt infolgedessen eine Voraussetzung für einen gut definierten Ausgangsstrahl und somit eine grundlegende wichtige Voraussetzung dafür darstellt, von dem Kinoform-Element aus eine hohe Strahlgüte zu erreichen. Ein Beispiel für ein optisches Beugungselement, das die Bestrahlung mit sehr hoher Strahlqualität erfordert, ist ein Kinoform-Element, das zu Strahlformungszwecken ausgebildet ist. Ein Kinoform-Element besteht aus einer durchscheinenden Platte, vorzugsweise aus Kunststoff oder Glas. Die Lichtphase, welche durch die Platte hindurch tritt, verändert sich über den Querschnitt in einer Weise, die zuvor in einem Computer be rechnet wurde. Die Phasenbewegung wird mit Hilfe entsprechender Veränderungen im Brechungsindex der Platte oder dadurch herbeigeführt, dass auf einer Seite der Platte ein flaches Flächenrelief mit einer Stärke von etwa 1 μm aufgebracht wird. Das Kinoform-Element nutzt das Licht bis zu 90% aus, was in dem Fall wichtig ist, in dem die Lichtwirkung nur mäßig ist und beispielsweise einige mW beträgt. Dabei wird in einem normalen Produktionsverfahren mit Hilfe eines Elektronenstrahls oder durch Laser-Lithographie das Original eines Reliefs hergestellt, woraufhin dann eine erste „Matrize" aus Metall gefertigt wird. Letztere wird dann dazu verwendet, das Reliefmuster auf den Reliefträger „aufzudrucken".The conformity between the beam, the actual from the kinoform element exit, and the beam from which at the time of design of the Kinoform element is believed to leave this depends How well the incident on the Kinoform element beam in its form coincides with the ray assumed to be that he over its design impinges on the kinoform element. A well-defined As a result, beam impinging on the kinoform element will result a requirement for a well-defined output beam and thus a basic one important prerequisite for this represents to achieve a high beam quality of the Kinoform element. One example for an optical diffraction element, which irradiation with very high beam quality requires is a kinoform element, which is designed for beam shaping purposes. A kinoform element consists of a translucent plate, preferably made of plastic or glass. The light phase, which passes through the plate, changed over the cross-section in a manner previously calculated in a computer be has been. The phase movement is done with the help of appropriate changes in the refractive index of the plate or caused by that on one side of the plate a flat surface relief with a thickness of about 1 μm is applied. The kinoform element uses the light up to 90% which is important in the case where the lighting effect is only moderate and, for example, a few mW. This is in a normal Production process by means of an electron beam or by Laser lithography produced the original of a relief, whereupon then a first "die" made of metal becomes. The latter is then used to apply the relief pattern to the Relief carrier "aufzudrucken".

Es gibt viele Möglichkeiten zur Verbesserung der Qualität eines Laserstrahls, beispielsweise durch Filtern in unterschiedlicher Weise, zum Beispiel durch Fokussieren durch eine kleine Blende (1–100 μm) oder mit Hilfe einer Monomode-Faser. Je nach der Qualität des Laserstrahls kann eine Filterung in unterschiedlichem Ausmaß erforderlich sein. Gaslaser besitzen, wie bereits ausgeführt, eine sehr hohe Strahlgüte, wenn diese auch nicht ideal ist. Es gibt immer eine geringe Menge an Setreulicht. Was benötigt wird, ist eine gewisse Filterung, um die Qualität sicherzustellen, auch bei einem Strahl aus einem Gaslaser, beispielsweise mit Hilfe einer kleinen Blende. Diodenlaser besitzen eine viel schlechtere Strahlqualität, was eine stärkere Filterung erfordert, zum Beispiel mit Hilfe einer Monomode-Faser. Ein Bauelement zum Filtern des Lichts eines Laserstrahls wird in der Vorveröffentlichung WO-A-9429762 beschrieben.It There are many possibilities to improve the quality a laser beam, for example by filtering in different For example, by focusing through a small aperture (1-100 microns) or with Help of a single-mode fiber. Depending on the quality of the laser beam, a Filtering be required to varying degrees. gas lasers own, as already stated, a very high beam quality, if this is not ideal. There is always a small amount at Setreulicht. What is needed There is some filtering to ensure quality, too a beam from a gas laser, for example by means of a small aperture. Diode lasers have a much worse beam quality, which is a more Filtering requires, for example, with the help of a single-mode fiber. A device for filtering the light of a laser beam is used in the prepublication WO-A-9429762.

Der Vorteil des Einsatzes einer Monomode-Faser besteht darin, dass wahrscheinlich der austretende Strahl bekannt ist, der mathematisch gut definiert ist.The advantage of using a single-mode fiber is that it is likely that passing beam is known, which is well defined mathematically.

Durch die Filteranordnung kann das Kinoform-Element mit einem bekannten, mathematisch auf einfache Weise beschreibenden Strahls bestrahlt werden. Ein gut definierter Strahl mit einem Filter bietet außerdem den Vorteil, dass sich die Berechnungen zum Zeitpunkt der Entwicklung des Kinoform-Ele ments vereinfachen und dass die Notwendigkeit entfällt, den auftreffenden Strahl vor der Auslegung des Kinoform-Elements zu messen. Unter einem „gut definierten Strahl" ist hier zu verstehen, dass der Strahl im Wesentlichen einen Querschnitt mit Gauß'scher rotationssymmetrischer Intensität besitzt, wenn die Wellenfront eben oder sphärisch ist.By the filter assembly may comprise the kinoform element with a known, be described mathematically in a simple way descriptive beam. A well-defined beam with a filter also provides the Advantage that the calculations at the time of development simplify the Kinoform element and that the need for impinging beam prior to the design of the kinoform element measure up. Under a "good defined beam "is here to understand that the beam is essentially a cross section with Gaussian rotationally symmetric intensity owns when the wavefront is even or spherical.

AUFGABE DER ERFINDUNG UND DEREN MERKMALETASK OF THE INVENTION AND THEIR CHARACTERISTICS

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung zum Erzeugen eines Laserstrahls mit wünschenswerter räumlicher Verteilung über eine Fläche oder in einem Volumen zu schaffen. Der Strahl tritt dabei aus einem Laser aus, der selbst eine unzureichende Strahlqualität zur Bestrahlung des optischen Beugungselements abgibt.The The main object of the present invention is an arrangement for generating a laser beam with desirable spatial distribution over a area or to create in a volume. The beam emerges from a Laser out, itself an insufficient beam quality for irradiation of the optical diffraction element.

Es stellt ein nicht unbeträchtliches Problem dar, eine Anordnung zur Montage einer Einrichtung zur Verbesserung des Strahls eines Diodenlasers und eines optischen Beugungselements zu schaffen, beispielsweise in der Art eines Kinoform-Elements zur Strahlformung. Eine notwendige Annahme besteht darin, dass die vorgenannten Bauelemente, die den Grundfunktionen entsprechen, in eine Stabile Einheit integriert werden. Gleichzeitig muss das Bauteil stabil sein, müssen seine Abmessungen klein gehalten werden, damit das gesamte Bauteil seinerseits zum Einbau in ein Anwendungssystem geeignet ist, das über lange Zeiträume hinweg zuverlässig und kontinuierlich arbeitet.It makes a not inconsiderable Problem is an assembly for mounting a device for improvement the beam of a diode laser and a diffractive optical element to create, for example in the manner of a Kinoform element for Beamforming. A necessary assumption is that the aforementioned Components that correspond to the basic functions, into a stable unit to get integrated. At the same time, the component must be stable, its must Dimensions are kept small so that the entire component in turn suitable for installation in an application system that over long periods reliable and works continuously.

Zum Beispiel ist die Erfindung für Einsatzbereiche in der Messtechnik vorgesehen. Mit dem erfindungsgemäßen Bauelement lassen sich Muster beispielsweise in Form eines Kreuzes, einer Kreuzstrebe oder von Ringen erzeugen, die für Zeigegeräte geeignet sind, zum Beispiel in Geräten für Seminar-Workshops oder auf dem Bau. Ähnliche Anforderungen an Zeigegeräte können auch in der medizinischen Diagnostik angetroffen werden. Zur direkten Messung eines gekrümmten Objekts ist es möglich, eine Abbildung desselben mit einer oder mehreren Beleuchtungslinien zu erzeugen, die von dem Bau element erzeugt werden, und dann die Projektion der Linie in der Wiedergabeebene zu untersuchen.To the Example is the invention for Areas of application in metrology provided. With the device according to the invention For example, patterns can be shaped like a cross, a cross strut or create rings for Pointing devices suitable are, for example, in devices for seminar workshops or on the construction. Similar Requirements for pointing devices can also be found in medical diagnostics. For direct measurement a curved one Object it is possible to have a Illustration of the same with one or more lighting lines too generate, which are generated by the construction element, and then the projection to examine the line in the rendering layer.

Das Bauelement kann auch ein Beleuchtungs-Rechteck mit einer gleichförmigeren Intensitätsverteilung erzeugen. Dies kann für Messungen aller Art eingesetzt werden, zum Beispiel nach dem Schattenverfahren.The Component can also be a lighting rectangle with a more uniform intensity distribution produce. This can be for Measurements of all kinds are used, for example according to the shadow method.

Ebenso ist es möglich, unter Verwendung des Bauelements sehr komplizierte Muster zu entwickeln, zum Beispiel Schriftzüge und Warenzeichen.As well Is it possible, using the device to develop very complicated patterns for example, lettering and trademarks.

Damit die Bauelemente bei vielen Einsatzgebieten verwendbar sind, zum Beispiel zur Bereitstellung einer Querschnittsverteilung des erzeugten Strahls von der Art eines „oben sitzenden Huts", werden sie in der Vorrichtung ausgerichtet und mit sehr hoher Präzision im Wesentlichen dauerhaft befestigt. Die Genauigkeit bei der Montage sollte in seitlicher Richtung im Bereich von 2–5 μm liegen, doch ist auch hohe Präzision in der Längsrichtung und bei Drehung erforderlich, d.h. in der Ausrichtung eines Bauelements. Die beträchtliche Präzision in der Montage zur Erzielung einer größtmöglichen Intensität ist bei dem aus dem Bauelement austretenden Strahl erforderlich, damit man eine ideale Filterfunktion erzielt, um so zu der gewünschten Strahlverteilung durch Bestrahlung des optischen Beugungselements zu gelangen, wobei letzteres an einer vorgegebenen Position in dem Beleuchtungskegel korrekt platziert sein muss.In order to the components are useful in many applications, for Example for providing a cross-sectional distribution of the generated beam of the kind of a "above sitting hats ", they are aligned in the device and with very high precision in the Essentially permanently attached. The accuracy of assembly should be in the lateral direction in the range of 2-5 microns, but is also high precision in the longitudinal direction and required upon rotation, i. in the orientation of a device. The considerable precision in the assembly for maximum intensity is at the beam emerging from the device required so that one achieved an ideal filtering function, so as to the desired Beam distribution by irradiation of the optical diffraction element to arrive, the latter at a predetermined position in the Illumination cone must be placed correctly.

Andere Anwendungsmöglichkeiten wie zum Beispiel die Mustererzeugung mit einem Kinoform-Element setzen keine Ausrichtung und Positionierung der Bauelemente an den vorausberechneten Positionen in der Vorrichtung voraus.Other applications such as pattern generation with a kinoform element do not put alignment and positioning of the components to the precalculated positions in the device.

Die Überwachung darauf, dass schädliche Reflexe und Streustrahlen in der Vorrichtung nicht auftreten, ist genauso wichtig wie die Erfüllung der Anforderungen hinsichtlich der Stabilität und der gleichförmigen Ausrichtung. Dies kann unmöglich erreicht werden, wenn sich die verschiedenen Funktionen des Bauteils in getrennten Einheiten befinden. Dies kann jedoch bei einer integrierten Einheit dadurch erreicht werden, dass die reflektierenden Flächen be züglich des Strahlengangs in der Vorrichtung gekippt oder schräg gestellt werden und dass Bauelemente über ein Medium, das zum Brechungsindex passt, zum Beispiel ein optischer Zement, mit einander verbunden werden.The supervision on the fact that harmful reflexes and stray radiation in the device does not occur is the same important as the fulfillment the requirements for stability and uniform alignment. This can not be possible be achieved when the different functions of the component are in separate units. However, this can be at an integrated Unit can be achieved by the fact that the reflective surfaces Be Beam path tilted in the device or tilted be and that components over a medium that fits the refractive index, for example an optical one Cement, to be connected with each other.

Was für die Erfindung wesentlich ist, ist der Aspekt, dass die Bauelemente, in welchen sich die Abläufe zur Strahlerzeugung, zur Verbesserung der Strahlgüte und für die Strahlverteilung abspielen, in einer gemeinsamen stabilen Einheit integriert und mit einander koordiniert sind. Dies ist eine Voraussetzung für die Möglichkeit, kritische Bauelemente ausrichten und sie dauerhaft an den zuvor berechneten Positionen befestigen zu können und im Wesentlichen die optische Interferenz durch Reflexe und Streustrahlung zu verringern.What is essential for the invention is the aspect that the components in which the processes for beam generation, to improve the beam quality and for the beam distribution take place, are integrated in a common stable unit and coordinated with each other. This is a prerequisite for the ability to align critical components and permanently attach them to the previously calculated positions and essentially the optical interference of reflections and Reduce stray radiation.

Die vorgenannten Zielsetzungen werden mit einer Anordnung erreicht, die in Anspruch 1 umrissen wird.The The above objectives are achieved with an arrangement which is outlined in claim 1.

Bei einem Ausführungsbeispiel besteht die Laserquelle aus einer Laserdiode, ist das hinsichtlich der Modi selektive Filter eine optische Monomode-Faser, wohingegen das optische Beugungselement ein Kinoform-Element ist.at an embodiment if the laser source consists of a laser diode, that is in terms of Modi selective filters a single-mode optical fiber, whereas the optical diffraction element is a kinoform element.

In vielen Fällen muss das optische Beugungselement ganz allgemein an einer vorbestimmten Position in einem Strahlungsmodus und in einer vorgegebenen Ausrichtung angeordnet werden, damit ein Oberflächenrelief senkrecht zur Achse des Strahlmodus steht. Die erforderliche seitliche Schrägstellung und die Winkelpräzession stehen in direktem Zusammenhang mit der Größe des Laserstrahls, wenn dieser auf das optische Beugungselement trifft. Die Abhängigkeit der Positionierung von Temperaturschwankungen muss verringert werden.In many cases In general, the diffractive optical element must be at a predetermined Position in a radiation mode and in a given orientation be arranged so that a surface relief perpendicular to the axis the beam mode is. The required lateral inclination and the angular precession are directly related to the size of the laser beam when this one encounters the optical diffraction element. The dependence of positioning of temperature fluctuations must be reduced.

Bei einem Ausführungsbeispiel sind das optische Beugungselement und das Fokussierelement in einem optischen Beugungselement und/oder die Endflächen der Faser abgeschrägt.at an embodiment are the diffractive optical element and the focusing element in one beveled optical diffraction element and / or the end faces of the fiber.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist das Bauteil ein Gehäuse auf, das mindestens eine Laserquelle und eine Koppeleinrichtung aufweist, wobei eine Koppellinse gebildet wird, die zwischen der Laserquelle und dem hinsichtlich der Modi selektiven Filter angeordnet ist; ferner ist ein optisches Beugungselement vorgesehen, das zwischen dem hinsichtlich der Modi selektiven Filter und einem Fokussierelement angeordnet ist. Die Bauteile, Einrichtungen und Elemente sind in einer gemeinsamen Einheit positioniert und befestigt und das hinsichtlich der Modi selektive Filter ist so angeordnet, dass ein aus der Strahlquelle austretender Strahl nach Durchtritt durch das hinsichtlich der Mode selektive Filter im Wesentlichen in einem Modus vorliegt.at an advantageous embodiment has the component is a housing on, the at least one laser source and a coupling device has, wherein a coupling lens is formed, which is between the Laser source and the mode selective filter arranged is; Further, an optical diffraction element is provided, which between the in terms of the selective filter modes and a focusing element is arranged. The components, devices and elements are in a common unit is positioned and fastened and in terms of Modes selective filter is arranged so that one out of the beam source exiting beam after passing through in terms of fashion selective filters are essentially in one mode.

Bei einem noch anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist das optische Beugungselement mit seinem Träger nach dem Index auf das hinsichtlich der Modi selektive Filter abgestimmt, während die Endflächen der Fasern abgeschrägt sind.at In yet another advantageous embodiment, the optical Diffraction element with its carrier tuned to the mode selective filter after the index, while the end surfaces the fibers are bevelled are.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENSUMMARY THE DRAWINGS

Nachstehend wird nun die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, das in der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist, wobeibelow the invention will now be described with reference to an exemplary embodiment, which is shown in the accompanying drawing, wherein

1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; 1 a block diagram of an embodiment according to the present invention;

2 schematisch und in weiteren Einzelheiten das Ausführungsbeispiel nach 1 darstellt, und 2 schematically and in more detail the embodiment according to 1 represents, and

3 eine Zeichnung mit der Darstellung eines Ausführungsbeispiels der bevorzugten Einheit ist. 3 a drawing showing an embodiment of the preferred unit.

BESCHREIBUNG DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELSDESCRIPTION OF THE EMBODIMENT

1 stellt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung dar, welche einen Laserstrahl mit einer gewünschten räumlichen Verteilung gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt. Die Vorrichtung 10 besitzt drei Hauptteile: eine Laserquelle 11, ein optisches Filter 12, im Wesentlich ein hinsichtlich der Modi selektives Filter und eine Einheit 13 zur Phasenbeeinflussung. Die Laser quelle 1 erzeugt den Primärstrahl, das hinsichtlich der Modi selektive Filter 12 wählt einen Strahlmodus in dem erzeugten Primärstrahl aus und die Einheit 13 zur Phasenbeeinflussung entscheidet über die Phasenverteilung in einem Querschnitt des Strahls, der aus dem optischen Beugungselement austritt. 1 FIG. 12 illustrates a block diagram of an apparatus that generates a laser beam having a desired spatial distribution according to the present invention. The device 10 has three main parts: a laser source 11 , an optical filter 12 , essentially a mode selective filter and a unit 13 for phase influence. The laser source 1 generates the primary beam, the mode selective filters 12 selects a beam mode in the generated primary beam and the unit 13 for phase control determines the phase distribution in a cross section of the beam emerging from the optical diffraction element.

Das Filterbauelement kann aus einer Reihe von Bauteilen bestehen, die einen größeren Teil der Energie der Laserdiode durch das Filter hindurch treten lassen als ein einfacheres Filter mit einem Bauelement. Bei einer derartigen Anordnung können zum Beispiel Prismen, Linsen oder Kinoform-Elemente in unterschiedlichen Ausbildungen und Kombinationen einbezogen werden. Ohne eine solche Kombination aus Bauelementen beträgt im typischen Fall der Energieanteil, welcher durch das Filter hindurchgeht, etwa 25 bis 30%. Dies wird durch Verwendung einer Gruppe von Bauelementen noch erheblich verbessert.The Filter device may consist of a number of components, the a bigger part let the energy of the laser diode pass through the filter as a simpler filter with a component. In such a Arrangement can For example, prisms, lenses or kinoform elements in different Training and combinations are included. Without such Combination of components is typically the energy fraction, which passes through the filter, about 25 to 30%. this will significantly improved by using a group of components.

An das optische Beugungselement angeschlossen ist ein Fokussier- bzw. Kollimatorelement, das auch in der Neue des Beugungselements angeordnet sein kann; hierbei handelt es sich normalerweise um eine Linse, die zwischen der Filtervorrichtung und der optischen Beugungsplatte oder in dem Strahlengang hinter der Platte positioniert werden kann. Außerdem lässt sich die optische Beugefunktion durch eine Reliefschicht auf einer Fläche der Linse in diese integrieren. Eine andere Alternative hierzu besteht darin, dass man durch Berechnung eines Kinoform-Elements bei der Auslegung die Fokussiereigenschaften erhält.At the optical diffraction element is connected to a focusing or Collimator element, which is also arranged in the new of the diffraction element can be; this is usually a lens, between the filter device and the diffractive optical plate or in the beam path behind the plate can be positioned. Furthermore let yourself the optical bending function by a relief layer on a surface of the Integrate lens into it. Another alternative exists in that by calculating a kinoform element in the Design receives the focusing properties.

Bei dem in 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel weist eine Laserquelle 11 mindestens eine Laserdiode 14 auf, die vorzugsweise von herkömmlicher Bauart ist, und mindestens eine Koppeleinrichtung 15, beispielsweise eine Koppellinse. Das hinsichtlich der Modi selektive Filter 12 umfasst ein Lichtfilter, das bei diesem Ausführungsbeispiel aus mindestens einer optischen Faser 16 besteht. Die Einheit 13 zur Phasenbeeinflussung umfasst mindestens ein Kinoform-Element 17 und ein Fokussierfilter 18.At the in 2 schematically illustrated embodiment has a laser source 11 at least one laser diode 14 on, which is preferably of conventional design, and at least one coupling device 15 , For example, a coupling lens. The modes selective filter 12 around summarizes a light filter, which in this embodiment of at least one optical fiber 16 consists. The unit 13 for influencing the phase comprises at least one kinoform element 17 and a focus filter 18 ,

Die Qualitätsverbesserung entsprechend diesem Ausführungsbeispiel wird mit Hilfe der Koppellinse 15 erreicht, welche den (mit Pfeilen eingezeichneten) Strahl, der aus der Laserdiode 14 abgegeben wird, in die optische Faser 16 fokussiert, welche vorzugsweise eine Monomode-Faser ist. Nachdem der Strahl sich um eine entsprechende Weglänge in der Faser weiterbewegt hat, erhält man einen perfekten Strahl, der aus der Faser austritt und keine elliptische Form und/oder Astigmatismus aufweist, da die Faser 16 selbst einen ausgewählten Strahlungsmodus besitzt. Reflexe von dem Faserende, das der Linse am nächsten liegt, könnten die Laserdiode leicht über die Linse erreichen und Schwingungen in der Strahlung herbeiführen. Um dies zu verhindern, ist die Fläche des Faserendes abgeschrägt und ist daran eine (hier nicht dargestellte) planparallele Glasplatte im Index daran angepasst.The quality improvement according to this embodiment is achieved by means of the coupling lens 15 which reaches the beam (marked with arrows) coming from the laser diode 14 is discharged into the optical fiber 16 focused, which is preferably a single-mode fiber. After the beam has advanced by a corresponding path length in the fiber, a perfect beam emerges from the fiber and has no elliptical shape and / or astigmatism since the fiber 16 itself has a selected radiation mode. Reflections from the fiber end closest to the lens could easily reach the laser diode via the lens and cause vibrations in the radiation. To prevent this, the surface of the fiber end is chamfered and is adapted thereto (not shown here) plane-parallel glass plate in the index.

Das Strahlbündel, das aus der Faser divergiert, setzt sich durch das Kinoform-Element 17 fort, das quer zum Strahl angeordnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Kinoform-Element um ein Relief, das – von der Faser aus gesehen – an der Fläche am entfernten Ende einer planparallelen Glasplatte angeordnet ist. Das Relief wird unter Anpassung an die Divergenz des Strahls aus der Faser und die Querschnittsgröße des Strahls an dem Kinoform-Element so berechnet und hergestellt, dass zu dem aus der Faser austretenden Strahl eine korrekte Phasenverteilung addiert wird. Der Laserstrahl erhält nach dem Durchtritt durch die Faser und das Kinoform-Element die Intensität und Phasenverteilung, welche nach Umformung durch Beugung und Fokussierung die vorgegebene Strahlverteilung ergeben. Außerdem werden auf der Eingangsseite die Reflexe, welche den Diodenlaser von der Austrittsfläche der Fasre erreichen könnten, durch Abschrägung des Faserendes und durch Indexanpassung der Glasplatte verringert, welche das Kinoform-Element zur Faser trägt.The beam that diverges from the fiber settles through the kinoform element 17 away, which is arranged transversely to the beam. In this embodiment, the kinoform element is a relief which, viewed from the fiber, is disposed on the surface at the distal end of a plane-parallel glass plate. The relief is calculated and made to match the divergence of the beam from the fiber and the cross-sectional size of the beam at the kinoform element so that a correct phase distribution is added to the beam emerging from the fiber. After passing through the fiber and the kinoform element, the laser beam receives the intensity and phase distribution which, after deformation by diffraction and focusing, gives the predetermined beam distribution. In addition, on the input side, the reflections which could reach the diode laser from the exit face of the fiber are reduced by chamfering the fiber end and index matching the glass plate carrying the kinoform element to the fiber.

3 stellt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Baueinheit dar. Das Bauteil 10 weist ein Gehäuse 19 auf, das mit einem Anschlussende 20 und einem Strahlende 21 versehen ist. Ein Kühlkörper 22 ist dabei zur Ver stärkung der Wärmeabführung von der Laserdiode 14 vorgesehen. Das Gehäuse 19 weist zusätzliche Halterungen 23–27 auf, welche die eingeschlossenen Bauelemente abstützen, was bedeutet, dass die Halterung 23 die Koppellinse 15 abstützt und die Halterung 24 die Faser 16 trägt, während die Halterung 26 das Kinoform-Element 17 abstützt und die Halterung 27 die Fokussierlinse 18 trägt. Die Kontaktelektroden 28 werden für den Betrieb des Diodenlasers 14 verwendet. 3 represents an embodiment of the assembly according to the invention. The component 10 has a housing 19 on, that with a connection end 20 and a radiant end 21 is provided. A heat sink 22 is to Ver strengthening the heat dissipation of the laser diode 14 intended. The housing 19 has additional brackets 23 - 27 on which support the enclosed components, which means that the holder 23 the coupling lens 15 supports and the bracket 24 the fiber 16 carries while the bracket 26 the kinoform element 17 supports and the bracket 27 the focusing lens 18 wearing. The contact electrodes 28 be for the operation of the diode laser 14 used.

Die Faser 16 ist an jedem Ende jeweils mit Verschlusselementen 29 bzw. 30 versehen, den so genannten Faserklemmen. Der Aufnahmebereich 23 ist mit einem Teil 31 versehen, das sich zur Aufnahme der Klemme 29 und zur Positionierung derselben relativ zur Linse 15 von diesem Bereich aus erstreckt. Die andere Klemme 30 wird von der Halterung 25 positioniert. Außerdem umfasst die Halterung 24, welche die Faser 16 abstützt, eine Halterung 32, welche die Faser in ihrer Position hält.The fiber 16 is at each end with closure elements 29 respectively. 30 provided, the so-called fiber terminals. The recording area 23 is with a part 31 provided, which is for receiving the clamp 29 and positioning it relative to the lens 15 extends from this area. The other clamp 30 gets off the bracket 25 positioned. In addition, the holder includes 24 which the fiber 16 supports, a bracket 32 which holds the fiber in position.

Die Kontaktelektroden 28 lassen sich mit einer Energiequelle verbinden, welche die Laserdiode 14 mit Energie versorgt. Bei einem Ausführungsbeispiel kann eine Energiequelle beispielsweise eine Batterie sein, die im Inneren des Gehäuses angeordnet ist. Mindestens ein Ende des Gehäuses ist zur leichteren Montage und Wartung lösbar angeordnet.The contact electrodes 28 can be connected to a power source, which the laser diode 14 energized. For example, in one embodiment, a power source may be a battery located inside the housing. At least one end of the housing is detachably mounted for ease of installation and maintenance.

Das Kinoform-Element mit dem Träger 26 muss seitlich und unter einem Winkel mit einer Präzession positioniert werden, die in direktem Zusammenhang mit der Größe des Laserstrahls beim Auftreffen desselben auf das Kinoform-Element steht. Die Position muss dabei von Temperaturschwankungen unabhängig sein.The kinoform element with the carrier 26 must be positioned laterally and at an angle with a precession directly related to the size of the laser beam as it impinges on the kinoform element. The position must be independent of temperature fluctuations.

Auch wenn vorstehend nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, liegt es doch auf der Hand, dass im Rahmen der beiliegenden Ansprüche mehrere Veränderungen und Modifizierungen möglich sind.Also if above only a preferred embodiment of the invention was presented and described, it is obvious that in The scope of the appended claims several changes and modifications possible are.

1010: Bauteilcomponent
1111: Laserquellelaser source
1212: nach Modi selektives Filterto Modes selective filter
1313: Einheit zur Phasenbeeinflussungunit for phase influence
1414: Diodenlaserdiode laser
1515: Koppeleinrichtungcoupling device
1616: Optische Faser/Filteroptical Fiber / filter
1717: Kinoform-ElementKinoform
1818: Fokussierlinsefocusing lens
1919: Gehäusecasing
20, 2120 21: EndeThe End
2222: Kühlkörperheatsink
23–2723-27: Halterungenbrackets
2828: Kontaktelektrodencontact electrodes
29, 3029 30: Faserklemmenfiber clamps
3131: Halterungbracket
3232: Halterungbracket

Claims

Arrangement for a given intensity and phase distribution, which provides a predetermined beam distribution after refraction and focusing, and for producing a well-defined beam distribution over a surface or in a volume by means of a diffractive optical element (US Pat. 17 ), wherein the arrangement comprises at least one laser beam source ( 14 ), an optical filter and a diffractive optical element ( 17 ), characterized in that the optical filter is a mode-selective filter ( 16 ) in communication with the laser beam source, the diffractive optical element being in communication with the mode selective filter and being adapted for selecting the phase distribution of a beam passing through the diffractive optical element and a plurality of coupling and focusing elements ( 18 ), which are arranged so that they are in a common holding unit ( 19 ) fixed and aligned in the beam path of the selected beam in such a way that sufficient coherence of each selected beam is maintained.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the laser beam source ( 14 ) comprises a diode laser.

Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the mode-selective filters ( 16 ) comprises a single-mode optical fiber.

Arrangement according to claim 3, which further comprises a Index of the plane-parallel glass plate, the single-mode fiber is adjusted.

Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the optical diffraction element ( 17 ) comprises a kinoform element.

Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the optical diffraction element ( 17 ) is disposed at a predetermined position in a radiation mode.

Arrangement according to claim 6, characterized in that the diffractive optical element ( 17 ) is positioned in a predetermined orientation in such a way that the optical diffraction element ( 17 ) is perpendicular to an axis of the radiation mode.

Arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the optical diffraction element ( 17 ) and the focus element ( 18 ) are formed in a diffractive optical element.

Arrangement according to claim 3, characterized that the single mode end faces the single-mode optical fiber are chamfered.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the diffractive optical element ( 17 ) is positioned laterally and at an angle with an inclination that is directly related to the size of the laser beam when it is incident on the diffractive optical element (10). 17 ).

Arrangement according to claim 10, characterized that the position is independent of temperature fluctuations.